Técnica de imagen frugal del flujo capilar a través de polvos de impresión polimérica tridimensionales
Summary
La técnica propuesta proporcionará un enfoque novedoso, eficiente, frugal y no invasivo para obtener imágenes del flujo fluídico a través de un lecho de polvo empaquetado, produciendo una alta resolución espacial y temporal.
Abstract
El desarrollo de nuevas técnicas de imagen de transporte molecular y coloidal, incluidas las nanopartículas, es un área de investigación activa en estudios microfluídicos y milifluídicos. Con el advenimiento de la impresión tridimensional (3D), ha surgido un nuevo dominio de materiales, lo que aumenta la demanda de nuevos polímeros. Específicamente, los polvos poliméricos, con tamaños de partícula promedio del orden de una micra, están experimentando un creciente interés de las comunidades académicas e industriales. El control de la sintonizabilidad del material en las escalas de longitud mesoscópica a microscópica crea oportunidades para desarrollar materiales innovadores, como los materiales de gradiente. Recientemente, la necesidad de polvos poliméricos de tamaño micrométrico ha ido creciendo, a medida que se desarrollan aplicaciones claras para el material. La impresión tridimensional proporciona un proceso de alto rendimiento con un vínculo directo con nuevas aplicaciones, impulsando investigaciones sobre las interacciones fisicoquímicas y de transporte en una mesoescala. El protocolo que se discute en este artículo proporciona una técnica no invasiva para obtener imágenes del flujo de fluidos en lechos de polvo empaquetados, proporcionando una alta resolución temporal y espacial al tiempo que aprovecha la tecnología móvil que está fácilmente disponible desde dispositivos móviles, como teléfonos inteligentes. Al utilizar un dispositivo móvil común, se eliminan los costos de imagen que normalmente se asociarían con un microscopio óptico, lo que resulta en un enfoque de ciencia frugal. El protocolo propuesto ha caracterizado con éxito una variedad de combinaciones de fluidos y polvos, creando una plataforma de diagnóstico para obtener imágenes rápidamente e identificar una combinación óptima de fluido y polvo.
Introduction
La inyección de aglutinante basada en inyección de tinta en medios en polvo representa una tecnología importante en la fabricación aditiva (impresión 3D). El proceso de inyección de aglutinante comienza con la deposición de fluidos funcionales en medios de polvo utilizando un proceso de impresión de inyección de tinta de escaneo. Específicamente, un cabezal de impresión de inyección de tinta se traduce sobre la superficie del polvo, depositando el agente aglutinante líquido sobre una superficie de polvo y, por lo tanto, formando una pieza sólida capa por capa1. Las tecnologías de inyección de aglutinante basadas en inyección de tinta generalmente incluyen arena, polvos metálicos y polvos poliméricos. Sin embargo, para ampliar el espacio de los materiales en el chorro de aglutinante, se requiere un enfoque fundamental para investigar las interacciones fluido-polvo y polvo-polvo, la tribología, la densidad del empaquetamiento de polvo y la agregación de partículas. Específicamente, para las interacciones fluido-polvo, existe una necesidad crítica de la capacidad de obtener imágenes del flujo de fluido a través de lechos de polvo en tiempo real. Esto promete ser una herramienta poderosa para que los investigadores incluyan como técnica de caracterización y potencialmente como un método de detección para diferentes combinaciones de fluidos y polvos 2,3,4, así como sistemas más complejos, como sistemas de impresión 3D de concreto que utilizan métodos de lecho de partículas.
El desarrollo de nuevas técnicas de imagen de transporte molecular y coloidal, incluidas las nanopartículas, es un área activa de investigación en estudios microfluídicos y milifluídicos. Sondear las interacciones intermoleculares mediante técnicas de imagen puede ser un desafío, ya que se ha hecho poco trabajo para sondear este tipo de interacciones en condiciones de flujo de fluido insaturado e inestable. Muchos de los estudios que se reportan en la literatura se han centrado en un medio saturado, prehumedecido y poroso, como la perla de vidrio 5,6,7,8,9,10,11,12 y los suelos 13,14,15,16,17,18 . Esta técnica proporciona un abordaje no invasivo, resultando en una alta resolución temporal y espacial 2,3,4,19. Además, la técnica desarrollada proporciona un método novedoso para caracterizar y cuantificar el transporte de partículas a nanoescala y micrométrica en una variedad de medios porosos, centrándose en polvos poliméricos.
La técnica propuesta utiliza un dispositivo móvil para registrar el transporte fluídico insaturado e inestable a través de medios poliméricos porosos con dimensiones de partículas que son representativas de los polvos utilizados en los sistemas de impresión 3D que utilizan tecnologías de fusión de lecho de polvo fluídico. Esta técnica es ventajosa ya que las células de flujo son rentables, reutilizables, pequeñas y fáciles de manejar, lo que ilustra los aspectos dominantes de la ciencia frugal. La capacidad de implementar estos experimentos simples en un estudio de campo es muy sencilla, eliminando las complicaciones, el costo y el tiempo que se requieren en la microscopía óptica. Dada la facilidad de creación de la configuración, el acceso a resultados rápidos y el número mínimo de requisitos de muestra, esta técnica es una plataforma óptima para la detección de diagnóstico.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo que se proporciona depende en gran medida de las características materiales de las partículas que se eligen. Las propiedades del material que afectan el flujo incluyen la distribución del tamaño de partícula 2,3,4,5,11,21, la rugosidad de la superficie de las partículas 11, las propiedades químicas en la superficie de la partícula 2,3,4,5,11,16,21,23<su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ninguno.
Materials
| µ-Slide I Luer | ibidi | 80191 | Microfluidic flow cell |
| Beaker | Southern Labware | BG1000-800 | Glassware |
| CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin | TRINSEO LLC | CALIBRETM 301-58 LT | Natural polycarbonate resin |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 1.00983 | Solvent |
| Fume Hood | Kewaunee | Supreme Air LV Fume Hoods | Used with 92 FPM at 18" opening |
| iPhone 7 plus | Apple | Camera | |
| Opaque 3D printed material | The CAD drawing is provided in the supplemental file | ||
| ORGASOL 2002 ES 6 NAT 3 | ARKEMA | A12135 | Polyamide powder |
| Pipet | VWR | 10754-268 | Disposable Transfer Pipet |
| Pipette | Globe Scientific Inc. | 3301-200 | Pipette that can hold 125 µL of fluid |
| Polystyrene | Advanced Laser Materials, LLC. | PS200 | Polystyrene for sintering |
| Tracker | Video analysis and modeling tool | ||
| VariQuest 100 White Light Model 3-3700 | FOTODYNE | 3-3700 | White light |
| Water | Distilled water |
References
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